(57)【要約】【課題】レーザ媒質ディスクに導入された励起レーザ光によりレーザ媒質を効率的に励起してレーザ光を発振させる。励起光源を低出力化してレーザ媒質ディスクの高温化を防止して高品質のレーザ光を発振させる。【解決手段】薄手円盤状からなり、非出力面に固定ミラーが取付けられたレーザ媒質ディスクと、該レーザ媒質ディスク内に励起レーザ光を出力してレーザ媒質を励起する励起光源と、レーザ媒質ディスク出力側の光軸上に設けられ、レーザ媒質から誘導放出されるレーザ光を透過すると共に一部を反射して固定ミラーとの間でレーザ媒質から放出される光を共振させる半透過ミラーを備えてディスクレーザ発振装置を構成する。レーザ媒質ディスクの外周端面には複数の開口部を有した外周ミラーを設け、各開口部を介して励起光源からレーザ媒質ディスク内に導入された励起レーザ光を反復伝播可能にする。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄手円盤状からなり、非出力面に固定ミラーが取付けられたレーザ媒質ディスクと、該レーザ媒質ディスク内に励起レーザ光を出力してレーザ媒質を励起する励起光源と、レーザ媒質ディスク出力側の光軸上に設けられ、レーザ媒質から誘導放出されるレーザ光を透過すると共に一部を反射して固定ミラーとの間でレーザ媒質から放出される光を共振させる半透過ミラーを備えたディスクレーザ発振装置において、レーザ媒質ディスクの外周端面には複数の開口部を有した外周ミラーを設け、各開口部を介して励起光源からレーザ媒質ディスク内に導入された励起レーザ光を反復伝播可能にしたディスクレーザ発振装置。
【請求項２】
請求項１において、レーザ媒質ディスクは、ヒートシンクに対して固定ミラーを介して取付けられ、固定ミラーと半透過ミラーとの間でレーザ媒質から放出される光を共振可能にしたディスクレーザ発振装置。
【請求項３】
請求項１において、レーザ媒質ディスクの出力側にＱスイッチ素子を配置し、該Ｑスイッチ素子をON−OFF制御してジャイアントパルスレーザ光を出力可能にしたディスクレーザ発振装置。
【請求項４】
請求項１の外周ミラーは、レーザ媒質ディスクの外周面に相対して設けられ、該反射ミラーによりレーザ媒質ディスクから漏れ出した励起レーザ光をレーザ媒質ディスク５内へ再び導入可能にしたディスクレーザ発振装置。
【請求項５】
薄手円盤状からなり、非出力面に固定ミラーが取付けられたレーザ媒質ディスク内に導入される励起光源からの励起レーザ光によりレーザ媒質を励起して誘導放出される特定波長のレーザ光を出力するディスクレーザ発振装置において、レーザ媒質ディスクの外周端面に複数の開口部を有した外周ミラーを設け、各開口部を介して励起光源から導入されてレーザ媒質ディスク内を伝播する励起レーザ光を外周ミラーにより反復伝播可能にした励起方法。
【請求項６】
請求項５において、レーザ媒質ディスクに固定ミラーを設け、固定ミラーと半透過ミラーとの間でレーザ媒質から放出される光を共振可能にしたディスクレーザ発振装置の励起方法。
【請求項７】
請求項５において、レーザ媒質ディスクの出力側と半透過ミラーとの間にＱスイッチ素子を設け、該Ｑスイッチ素子のON−OFF制御によりジャイアントパルスレーザ光を出力可能にしたディスクレーザ発振装置の励起方法。
【請求項８】
請求項５の外周ミラーは、レーザ媒質ディスクの外周面に相対して設けられ、該反射ミラーによりレーザ媒質ディスクから漏れ出した励起レーザ光をレーザ媒質ディスク５内へ再び導入可能にしたディスクレーザ発振装置の励起方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディスクレーザ発振装置、詳しくは薄手状のレーザ媒質ディスクを効率的に励起して所望波長の出力レーザ光を発振することができるディスクレーザ発振装置及び励起方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ発振装置にあっては、レーザ媒質としてロッド状のYAG結晶（Yb：YAG）を使用している。ロッド状のYAG結晶にあっては、レーザ媒質を有効に励起する必要から大出力の励起光源を使用して照射しているが、YAG結晶が励起レーザ光の熱により歪んで熱レンズ効果が発生して出力レーザ光のビーム晶質を悪くする問題を有している。
【０００３】
この欠点は、冷媒等を使用してYAG結晶を冷却することにより歪の発生を抑制することができるが、冷却手段を必要とすることにより装置自体が複雑化及び大型化すると共に高コスト化する問題を有している。
【０００４】
上記した欠点を解決するため、非特許文献１に示すディスクレーザ発振装置が開発されている。該ディスクレーザ発振装置は、レーザ発振媒体として厚さが数百μm単位、直径が数１０mm単位の薄手ディスク状に形成されたYAG結晶のレーザ媒質ディスクを使用している。このレーザ媒質ディスク自体、薄手状のため、蓄熱作用が低く、またこれが貼付けられるヒートシンクにより照射された励起レーザ光の熱を効率的に放熱してレーザ媒質ディスクに熱レンズが発生するのを防止して出力レーザを高品質化することができる特徴を有している。
【０００５】
しかし、レーザ媒質体をディスク形状とした場合には、レーザ媒質ディスクの全面に対し、パラボリックミラーを使用して励起光源からの励起レーザ光を均一に照射させる必要がある。しかし、レーザ媒質ディスクの全面に対して励起レーザ光を均一に照射させるには、レーザ媒質ディスクとパラボリックミラーの光軸を一致させる必要があり、この調整作業が複雑化して手間がかかる問題を有している。
【０００６】
また、特許文献１には、パラボリックミラーを使用せずにレーザ媒質ディスクの外周端面から励起レーザ光を入射させる事項が記載されている。しかし、特許文献１に示す励起方法にあっては、レーザ媒質ディスクにおける一方の外周端面から入射された励起光が他方の外周端面から漏れ出してレーザ媒質を効率的に励起させることができない問題を有している。
【非特許文献１】「レーザ加工機市場の現状と将来展望  ２００６年版」１０１頁〜１０３頁（２００５年１２月２８日、株式会社矢部経済研究所発行）
【特許文献１】米国特許第５５５３０８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
解決しようとする問題点は、レーザ媒質ディスクに導入された励起レーザ光が他端部から漏れ出してレーザ媒質の励起光率が悪い点にある。また、高出力のレーザ光を発振するには、励起レーザ光を高出力にする必要があり、レーザ媒質ディスクが高温化して高品質のレーザ光を発振させることができない点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の請求項１は、薄手円盤状からなり、非出力面に固定ミラーが取付けられたレーザ媒質ディスクと、該レーザ媒質ディスク内に励起レーザ光を出力してレーザ媒質を励起する励起光源と、レーザ媒質ディスク出力側の光軸上に設けられ、レーザ媒質から誘導放出されるレーザ光を透過すると共に一部を反射して固定ミラーとの間でレーザ媒質から放出される光を共振させる半透過ミラーを備えたディスクレーザ発振装置において、レーザ媒質ディスクの外周端面には複数の開口部を有した外周ミラーを設け、各開口部を介して励起光源からレーザ媒質ディスク内に導入された励起レーザ光を反復伝播可能にしたことを特徴とする。
【０００９】
請求項５は、薄手円盤状からなり、非出力面に固定ミラーが取付けられたレーザ媒質ディスク内に導入される励起光源からの励起レーザ光によりレーザ媒質を励起して誘導放出される特定波長のレーザ光を出力するディスクレーザ発振装置において、レーザ媒質ディスクの外周端面に複数の開口部を有した外周ミラーを設け、各開口部を介して励起光源から導入されてレーザ媒質ディスク内を伝播する励起レーザ光を外周ミラーにより反復伝播可能にしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、レーザ媒質ディスクに導入された励起レーザ光によりレーザ媒質を効率的に励起してレーザ光を発振させることができる。また、励起光源を低出力化してレーザ媒質ディスクの高温化を防止して高品質のレーザ光を発振させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、レーザ媒質ディスクの外周端面には複数の開口部を有した外周ミラーを設け、各開口部を介して励起光源からレーザ媒質ディスク内に導入された励起レーザ光を反復伝播可能にしたことを最良の形態とする。
【実施例１】
【００１２】
以下に実施形態を示す図に従って本発明を説明する。
図１〜図３において、ディスクレーザ発振装置１はヒートシンク３の前面に取付けられたレーザ媒質ディスク５と、レーザ媒質ディスク５内部に励起レーザ光を出力する励起光源７と、レーザ媒質ディスク５の出力側に設けられる半透過ミラー９及びレーザ媒質ディスク５の出力側で半透過ミラー９の間に設けられるＱスイッチ素子１１とから構成される。
【００１３】
レーザ媒質ディスク５は、例えば厚さが数１００μm、直径が数１０mm程度の薄手円盤形状で、例えばYAG結晶（Yb：YAG）等のレーザ媒質からなり、ヒートシンク３の前面に対し、レーザ媒質ディスク５側に反射面を有した固定ミラー１３を介して取付けられる。また、レーザ媒質ディスク５の外周端面には少なくとも内周側に反射面を有する外周ミラー１５が全体を覆うように設けられ、該外周ミラー１５には複数の開口部１５ａが、周方向に対して適宜の間隔をおいて形成される。
【００１４】
尚、固定ミラー１３は、ヒートシンク３におけるレーザ媒質ディスク５の取付け面を鏡面加工した場合には、不要とすることができる。
【００１５】
励起光源７は、レーザ媒質を励起させる所要波長の励起レーザ光を出力する多数のレーザダイオード（以下において、レーザダイオードをLDと称する。）１７及び各レーザLD１７に一端部が光結合されると共に他端部がそれぞれの開口部１５ａに光結合される光ファイバー１９とから構成される。励起光源７はLD１７から出力される励起レーザ光を、開口部１５ａを介してレーザ媒質ディスク５内へ導入してレーザ媒質を励起させる。
【００１６】
半透過ミラー９はレーザ媒質から誘導放出される特定波長のレーザ光のみを透過させると共に一部を反射する半透過機能を有している。そして上記半透過ミラー９は、上記した固定ミラー１３とによりレーザ共振器を構成している。
【００１７】
また、Ｑスイッチ素子１１は変調可能な機械式チョッパや電気光学素子及び音響光学素子等のいずれであってもよく、図示しない制御手段によりON−OFF制御され、OFF時には励起レーザ光により励起されたレーザ媒質に励起エネルギーを貯えさせる一方、ON時にはレーザ媒質ディスク５のレーザ媒質から放出される自然放出光を半透過ミラー９及び固定ミラー１３間にて共振させて特定波長のレーザ光を誘導放出可能にさせる。
【００１８】
次に、上記のように構成されたディスクレーザ発振装置１によるレーザ発振作用及び励起方法を説明する。
【００１９】
Ｑスイッチ素子１１のOFF時には、LD１７から出力される励起レーザ光を、開口部１５ａを介してレーザ媒質ディスク５内に導入して内部において全反射させることにより伝播しながらレーザ媒質を励起して励起エネルギーを貯えて反転分布させる。その際に、レーザ媒質ディスク５内に導入された励起レーザ光は、レーザ媒質ディスク５外周面の全体に亘って設けられた外周ミラー１５により反射してレーザ媒質ディスク５内を反復伝播することによりレーザ媒質を効率的に励起させる（図４参照）。
【００２０】
そして励起レーザ光によるレーザ媒質の励起が進展して励起エネルギーが高準位化したタイミングで、Ｑスイッチ素子１１がON作動されると、レーザ媒質ディスク５から放出される自然放出光を半透過ミラー９と固定ミラー１３の間で共振してレーザ媒質から特定波長のレーザ光を誘導放出させる。レーザ媒質から誘導放出される特定波長のレーザ光は、半透過ミラー９を透過して高ピークパルスのジャイアントパルスレーザ光として出力される。
【００２１】
尚、励起レーザ光によりレーザ媒質が励起される際に、励起レーザ光の吸収に伴って熱エネルギーに変換されることによりレーザ媒質ディスク５が発熱されるが、該レーザ媒質ディスク５が取付けられるヒートシンク３により発熱したレーザ媒質ディスク５を放熱して高温化するのを防止することができる。
【００２２】
本実施例は、レーザ媒質ディスク５の外周端面に設けられた外周ミラー１５によりレーザ媒質ディスク５内に導入されて伝播する励起レーザ光を反射させることにより反復伝播可能にすることによりレーザ媒質ディスク５のレーザ媒質を効率的に励起させることができる。これにより低出力のLD１７を使用して高出力のレーザ光を発振させることができる。また、低出力のLD１７を使用するため、レーザ媒質ディスクク５の発熱量を低減して熱レンズの発生を抑制して高品質のレーザ光を出力させることができる。
【実施例２】
【００２３】
本実施例は、外周ミラー１５をレーザ媒質ディスクの外周面に直接設ける代わりにレーザ媒質ディスク５の外周面に近接した状態で設けることを特徴とする。
即ち、図５において、レーザ媒質ディスク５の外周面側には少なくとも内周側に反射面を有した複数の反射ミラー５１が、レーザ媒質ディスク５外周面に対して微小間隙をおいて相対するようにそれぞれ配置される。
【００２４】
各反射ミラー５１は、図５に示すようにレーザ媒質ディスク５外周の接線方向へ延出する平板状、または図６に示すようにレーザ媒質ディスク５の外周面と一致する曲率の湾曲面としてもよい。また、上記反射ミラー５１は、図７に示すようにレーザ媒質ディスク５より外径が若干大径で、光ファイバー１９の他方端部（出力端部）を挿通する複数の開口部５３ａを有したリング部材５３の内周面に設けた構成であってもよい。
【００２５】
そしてLD１７に光結合された光ファイバー１９の他方端部は各反射ミラー５１間を挿通してレーザ媒質ディスク５の外周面に当接或は近接した状態で内部に励起レーザ光を導入するように光結合される。
【００２６】
尚、他の構成に付いては、実施例１と同様であり、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００２７】
次に、本実施例による励起レーザ光の導入作用及び方法を説明すると、光ファイバー１９から出射される励起レーザ光は、レーザ媒質ディスク５の外周面から内部に導入されて反射しながら他方側へ伝播して他方側外周面から漏れ出した後に、反射ミラー５１によりレーザ媒質ディスク５の外周面側に反射して再び内部に導入される。これによりレーザ媒質ディスク５の内部に導入された励起レーザ光を、レーザ媒質ディスク５の外周側に設けられた反射ミラー５１により反射させることにより反復伝播させてレーザ媒質ディスク５のレーザ媒質を効率的に励起することができる。（図８参照）
【００２８】
本実施例においては、レーザ媒質ディスク５の外周面に外周ミラー１５を形成することが困難な場合であっても、外周面の近くに反射ミラー５１を配置することによりレーザ媒質ディスク５内に導入された励起レーザ光を反復伝播させてレーザ光を効率的に発振させることができる。
【００２９】
本発明は、以下のように変更実施することができる。
１．上記説明は、レーザ媒質ディスク５の出力側と半透過ミラー９の間にＱスイッチ素子１１を設け、該Ｑスイッチ素子１１をON−OFF制御することにより高ピークパルスレーザ（ジャイアントパルスレーザ）を発振する例により説明したが、連続レーザ光を発振する場合には、Ｑスイッチ素子を省略してもよい。
【００３０】
２．LD１７から出力されるレーザ光自体、低出力であり、レーザ媒質ディスク５から高出力のレーザ光を発振させるには、励起レーザ光の出力が充分ではない。この場合にあっては、図９に示すように１本の光ファイバー１９に対して複数のLD１７を並列で光結合することにより励起レーザ光を高出力化してレーザ媒質を効率的に励起することができる。
【００３１】
３．レーザ媒質ディスク５の外周に対し、一端部にLD１７が光結合された光ファイバー１９の他端を、外周ミラー１５の開口部１５ａに一致するように取付ける構造としては、図１０に示すように各開口部１５ａに一致する取付け孔６１ａが形成された取付けリング６１をレーザ媒質ディスク５の外周端面に挿嵌し、挿嵌された取付けリング６１の取付け孔６１ａに光ファイバー１９の他方端部を挿入して固定すればよい。
【００３２】
４．光出力のレーザ光を発振するには、図１１に示すように本実施例１・２に係るレーザ媒質ディスク５を出力光軸方向に多段に設ける構成とすればよい。その際に、第２段目以降のヒートシンク３及びレーザ媒質ディスク５にあっては、前段のレーザ発振装置１から出力されるレーザ光を通過させるために中心部に透孔５ａ（ヒートシンク３の透孔は図示せず。）を形成し、前段において出力されたレーザ光を通過させる構成にすればよい。
【００３３】
５．レーザ媒質ディスク５に対して多数のLD１７及び光ファイバー１９から励起レーザ光を導入する構成にあっては、それに伴って外周ミラー１５に設けられる開口部１５ａの数が多くなり，該外周ミラー１５による反射割合が低くなると共にレーザ媒質から放出される光が開口部１５ａを介して光ファイバー１９内に戻ってLD１７を損傷する恐れがある。
【００３４】
この場合にあっては、光ファイバー１９に、レーザ媒質ディスク５に導入される励起レーザ光を透過する一方、レーザ媒質ディスク５内部を反復伝播して光ファイバー１９内に戻る励起レーザ光を吸収するアイソレータを設けることにより上記問題を解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】ジャイアントパルスレーザ光を出力するディスクレーザ発振装置の概略を示す説明図である。
【図２】レーザ媒質ディスク及びヒートシンクの部分拡大断面図である。
【図３】レーザ媒質ディスクに対する光ファイバーの結合状態を示す説明図である。
【図４】実施例１の作用及び方法を示す説明図である。
【図５】実施例２に係るディスクレーザ発振装置におけるレーザ媒質ディスクと光ファイバーの結合状態を示す部分説明図である。
【図６】レーザ媒質ディスクと光ファイバーの結合状態の変更例を示す説明図である。
【図７】レーザ媒質ディスクと光ファイバーの結合状態の変更例を示す説明図である。
【図８】実施例２の作用及び方法を示す説明図である。
【図９】変更例を示す説明図である。
【図１０】変更例を示す説明図である。
【図１１】変更例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  ディスクレーザ発振装置
５  レーザ媒質ディスク
７  励起光源
９  半透過ミラー
１３  固定ミラー
１５  外周ミラー
１５ａ  開口部
１７  LD
１９  光ファイバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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